【视频处理】模拟视频信号及其传输

要写视频解惑篇，有一定的难度，在这个论坛上的人，水平参差不齐，太深奥大家望而却步，太肤浅又很难说明问题，视频解惑篇虽然写出来了，但不知对大家有没有帮助，我自己是计算机方面的技术人员，不是专业从事视频方面工作的，所以写出来的文章专业人士不要见笑。
欢迎大家批评指正，和提出问题希望我能解答。

1．什么是R，G，B？
在几乎所有视频技术标准中，有一个重要的问题就是彩色信息的表述方法，也就是如何让显示设备还原出自然界的真实色彩。研究发现自然界景物的绝大部分的彩色光都能够分解成独立的红、绿、蓝三基色，即所谓的R、G、B三基色原理。(R/RED/红色，G/GREEN/绿色，B/BLUE/蓝色)
随着电子与数字技术的发展，使我们可以用一个固定的数字或变量来表示世界上的任何一种颜色，而RGB只是众多颜色数字编码中的一种，采用这种编码方法，每种颜色都可以用三个变量来表示，即红色、绿色、蓝色的信号强度。要想记录及显示彩色图像，RGB编码是最常见的一种方案，我们身边能接触到的彩色显示设备几乎都是采用的这种方案，电视机，电脑显示器，液晶显示方式等等。这些设备不管之前输入的是什么信号，最终都转换成了RGB信号去激励CRT(显象管)或LCD(液晶板)来完成色彩的显示还原。

2．彩色电视传送方式
谈这个问题，是要大家对后面的问题先有个基本的认识。并将一些专用名词带出来
1)什么是电视制式
简单的说就是如何将R，G，B信号分解，传送和组合，接收再解调出R,G,B信号等流程中所使用的方式。
2)什么是兼容性彩色电视制式
自彩色电视问世以来，各国选用的彩色电视制式都不同，但都在研究如何实现与本国黑白电视的兼容问题(那年头是黑白电视的天下)，结果表明，兼容性彩色电视制式必须具备以下几个条件(和黑白电视)：
[1]使用与黑白电视相同的带宽
[2]相同的伴音与图象载频
[3]相同的扫描频率与复合同步信号(H/V SYNC)
[4]有一基本的亮度信息(Y),传送同一景物图像时，和黑白电视图像要相同
[5]色度信息(C)用一个辅助信号传送，以便于在电视机中容易与亮度信息(Y)分开。
[6]传送的色度信息(C)不能影响黑白电视的接收
“Y”代表明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰度值(明暗的变化)；
色度(C)(Chrominance或Chroma)，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。
说白了，当时可是黑白电视的天下，不兼容黑白电视要想推广是很难的，如同现在手机的CDMA不兼容GSM的下场。当时黑白电视的主要标准是采用625行(H),50场(V)扫描制时，亮度信号带宽约6MHz,因此必须在6MHz带宽内同时传送亮度信息(Y)和色度信息(C)，否则无法实现兼容。
于是各种兼容性彩色电视制式的大战开始了，最后三国诞生统领天下(跑题了)，那就是PAL,NTSC,SECAM，它们各有优缺点，谁都不能轻易将对手打败，但SECAM只有法国，前苏联等极少数国家使用，我们几乎接触不到，这里就只谈我们伟大祖国和欧洲大部分国家使用的PAL制和美国，日本及台湾使用的 NTSC制.

3)什么是NTSC制
NTSC制是美国在1953年时研究出来的一种兼容性彩色电视制式，该制式从人眼的彩色视觉出发，对R,G,B信号进行重新组合，并采用了频谱间置以及正交平衡调幅，同步检波等技术。由于出道最早，它的缺点是传送过程中容易出现色调失真(偏色)。

4)什么是PAL制
1962年前联邦德国为了克服NTSC制容易出现色调失真的缺点，在NTSC制的基础上，研究出来PAL制这一种兼容性彩色电视制式，PAL制采用了逐行倒相等技术(注。是逐行倒相，不是逐行扫描技术)，避免将整个色度信号的倒相处理，解决了偏色问题，但解调方法也变的复杂起来。

3．什么是复合同步信号(H/V SYNC)
要想电视等设备显示出一幅完整的图像(都是由一个个的像数点组成)，只有R,G,B信号是不够的，你还得告诉电视这个像数点该在屏幕的什么位置显示。显示何种颜色是由R,G,B信号决定，该在屏幕的那里显示就是由行场同步信号(H/V SYNC)决定的。为了大家比较好理解，这里就不谈具体原理，简单的说一个像数点的在水平方向的位置是有行同步信号(H)决定的，垂直方向的位置由场同步信号(V)决定，同时行场同步信号还决定画面的垂直分解率和一秒内所显示的帧数。将行同步信号和场同步信号复合在一起成为一个信号就称复合同步信号，不同的电视制式(PAL,NTSC)的行场同步信号(H/V SYNC)是不同的，但相对是固定的。如常见的中国PAL-D(H:15625Hz/V:50Hz) 日本NTSC 3.58(H:15750Hz/V:60Hz)

4．什么是分解率
电视的清晰度既分解率一般用垂直方向和水平方向的分解率来表示。垂直分解率与行扫描数(H)密切相关。扫描行数越多越清晰(行同步信号频率越高)、分解率就越高。我国电视(PAL制)图像的垂直分解率为575行或称575线(行同步信号频率15625Hz)。但这只是一个理论值，实际分解率与扫描的有效区间和扫描方式有关，我国的电视接收机实际垂直分解率低于400线。
　　水平方向的分解率或像素数是由电视信号的上限频率决定的。最复杂的电视图像莫过于黑白方块交错排列的棋盘格图案，根据这种图案，加上我国目前规定的电视图像信号(PAL制)的标称频带宽度为6MHz，可以推出理论上我国电视信号的水平分解率约630线。
NTSC制的水平分解率理论上约525线(频带宽度为4.5MHz)，垂直分解率理论上约为580行(行同步信号频率15750Hz)

5．什么是全电视信号
全电视信号定义为包括亮度(Y)和色度(C)与复合同步信号(H/V)以及伴音信号的单路模拟信号。由于有色度信号(关系到是用那种电视制式编码的)的存在，所以全电视信号是分电视制式(PAL,NTSC)的。

6．什么是复合视频信号(AV)
　　复合视频(Composite Video)信号也就是从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。由于复合视频的亮度和色度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。由于受后面亮度(Y)和色度(C)分离电路性能的影响，其信号带宽较窄，一般只有水平分解率240线~350线左右的分解率。由于视频信号中已不包含伴音，故一般还有音频端口以便同步传输伴音。有时复合式视频接口也称为AV(Audio Video)口。

7.什么是S－Video信号
　　S－Video 是一种两分量的视频信号，它把复合视频信号中的亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输的视频信号。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线。与复合视频信号相比，S－Video可以更好地重现色彩。

8．什么是色差信号或分量信号(Y,Cr,Cb/Y,Pr,Pb)
“Y 亮度”是通过RGB输入信号来创建的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“C 色度”则定义了颜色的两个方面——色调与饱和度，也就是说C色度通过相应电视制式的解码方式解调出Cr和Cb两路信号。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异，而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异，此即所谓的色差信号，也就是我们常说的分量信号(Y、R-Y、B-Y)。

9.如何得到R,G,B信号
如果您认真的阅读了上面5，6，7，8的说明，就可以发现(5)->(6)->(7)->(8)是一个信号的流程，之前曾提到R,G,B信号才是我们最终需要的信号，有了分量信号(Y、R-Y、B-Y),如何变成RGB信号呢？原来当初为了兼容黑白电视，Y 亮度信号是将R,G,B信号按一定的比例的相加所得到的。这里就简单化，我们就认为Y=R+G+B{事实上R:G:B=0.3:0.59:0.11}，这样只要把Y、R-Y、B-Y三路信号送到一个运算矩阵中进行简单的运算就能得到R,G,B信号了。它们的关系是：
Y+(R-Y)=R
Y+(B-Y)=B
Y-(B-Y)-(R-Y)=-B-R+Y=-B-R+R+G+B=G (Y=R+G+B)
10.各种外部输入端子与电视信号流程的关系
来张图说明一下，(这里采用的日本NTSC 3.58电视制式的解码流程的原因一个是PAL制的解码太复杂，容易让大家发蒙，二来是我们手头上的游戏机大部分都是NTSC制.为了方便大家理解，省去了行场同步部分)

问题篇
11．接着谈谈最近大家比较敏感的隔行扫描与逐行扫描的问题
老样子，先从一些基础知识谈起
大家可能都知道，为了获得活动的图像，电影和电视是都是把若干幅静止的画面快速地连续播放，我们就会觉得这些画面上的物体是在连续地运动着。
我们将每一幅“静止”的画面称为一“帧(frame)”，电影是24帧／秒、PAL制电视是25帧／秒，NTSC制是30帧／秒。
前面曾提到电视的每帧画面又是由若干条水平方向的扫描线组成的、PAL制为625行／帧，NTSC制为525行／帧。
如果这一帧画面中所有的行是从上到下一行接一行地连续完成的，或者说扫描顷序是1、2、3……525，我们就称这种扫描方式为逐行扫描。
但是实际上，以PAL为例(NTSC制也类似)，要想在行频15625Hz/场频50Hz的情况下每秒钟扫描出50幅625行的画面是不可能的， ( 换算公式略)，于是电视的一帧完整画面是需要由两遍扫描来完成，第一遍只扫描奇数行，即第l、3、5……525行。第二遍扫描则只扫描偶数行，即第2、4、6……524行。这种扫描方式就是隔行扫描。要想逐行扫描行频就的翻倍成31.5Khz，但电视受需兼容黑白电视的制式影响行频是不能改变的。
一幅只含奇数行或偶数行的画面称为一“场(field)”。因此，PAL制电视的实际扫描频率是50场／秒。NTSC制为60场／秒。隔行扫描的两个场虽然是一先一后地出现在屏幕上(都是不完整的画面)。但由于变换速度很快，我们会觉得是看到了一幅完整的画面。

12.隔行扫描的主要缺点是：
1)光栅结构显得粗疏；有的图象能看到扫描线。
2)垂直分辨率严重受损，大约只有水平分辨率的一半左右(350线)；
3)画面有闪烁感；
4)最重要的是会在画面上造成梳齿现象(又称羽状干扰或拉链效应)和行抖动。

13．为什么要采用逐行扫描
很简单，逐行扫描克服以上隔行扫描的缺点

14．现在那些设备是输出隔行扫描和逐行扫描
在我们常见的设备设备中，普通广播电视接收机、录像机、大部分视频摄像机、VCD、LD等全都是隔行扫描的，新一代数字电视机则将是逐行扫描的，当前的电脑显示器(包括LCD)几乎全部都是逐行扫描的。
这里应该特别指出的是：事实上DVD本质是隔行扫描的，在制定DVD规范的时候是按照隔行扫描的要求而设计的。DVD影碟上的视频图像是以隔行扫描的格式存贮的，这一点必须牢牢记住，有关逐行扫描DVD的是为了克服隔行扫描的缺点而研制的，它的任务是把影碟上的隔行扫描画面修复成逐行扫描

好了有了上面这些难懂的原理的支持，我来解答一些常见的问题。
1．为什么把各种视频端子的清晰度排行列成RGB>YPrPb>S-video>复合video。
要说明这个问题，让我们在看看上面 NTSC的电视信号流程图，信号经过的每一个蓝框就是一种转换或分离电路，高中的物理课告诉我们世上没有绝对100%的能量转换，都是要损耗的要丢失信息的。根据图中信号的走向可以发现，复合video到RGB经过了最多蓝框，S-video其次，YPrPb最少，RGB没有。所以理论上各种视频端子的清晰度排行是RGB>YPrPb>S-video>复合video。事实上，现在的电子技术高速发展，转换或分离电路的效率越来越好，信号损耗也越来越小，丢失的信息也越来越少。逐渐拉近各种输出端子的清晰度差距，前提是在低分辨率下(480线以下)，原因后面会说明。
从另一个角度，也能发现这个结果，把RGB>YPrPb>S-video>复合video这四个输入端子顺序倒过来，竟然和我们的电视机的各种输入端子的出现时间顺序是一样的，老式的彩电和黑白电视没有任何视频输入端子，后来Fc与家用录象机以及后面VCD的出现，有些进口的彩电和后来国产彩电就装备了AV既复合video输入端子，大家对当时的显示效果也非常满意，接着N64/SS/Ps与初期DVD机的出现，有了较高的分辨率的信号源(350线左右)，对复合video输入端子经常出现的亮色窜扰问题就有了意见，电视机厂马上针对这个问题马上就开发了S-Video端子,输出设备厂商也马上跟上，于是P S有了S-Video输出线，DVD机有S-Video输出座。到了近几年，随着PS2/NGC等游戏机的诞生和DVD机解码技术的发展，我们有了更高的分辨率的视频信号源(480线左右)。这时大家才发现，受电视制式(PAL :6MHz,NTSC:4.5MHz)的视频带宽影响，要想输出480线解像度的图象太难，更高解像度的话就更不可能了，看来只有开发一种不受电视制式影响的又能够传送高解像度视频输入/输出接口，大家自然想到早就存在的电脑的D型15针 RGB 输出接口，但这个接口却是采用逐行扫描的RGB端口，当时视频输出设备又没有普遍采用逐行扫描技术，加上该接口又有很强的技术规范，要想在电视机上装电脑的D型15针 RGB 输入接口太麻烦和复杂(有些国产电视机有电脑的VGA口是不规范的做法)。放弃吧，退一步，于是兼容逐行扫描与隔行扫描的色差(YPrPb 或 YCrCb)端子就来到了我们身边。

2．为什么说S-video和复合video不能输出高解像度(>480线)的图象和带逐行扫描的信号。
原因是S-video和复合video都包含有色度信号(C),而色度信号的合成与解码都与兼容电视制式有关，也就是说S-video和复合video都是带有电视制式(PAL,NTSC)的信号, 信号的带宽受电视制式的不同是有规定的， PAL：6MHz ,NTSC 4.5MHz, 信号的带宽一受限制，得到的图象的解像度就被限制在一定的范围内，所以说S-video和复合video不能输出高解像度(>480线)的图象。
同样道理，S-video和复合video的同步信号的频率受电视制式的规定而不能改变，PAL H:15625Hz V:50Hz NTSC H:15750Hz V:60Hz.而高解像度为480线逐行扫描的信号的行同步信号为31500Hz.所以S-video和复合video也不能输出带逐行扫描的信号，
另：有些人可能要反驳我，说我的PS2就是用S-video线或复合video线连到电视机的，而电视机就是工作在逐行扫描状态啊，你怎么说S-video线或复合video线不能输出带逐行扫描的信号呢，其实这是个误解，首先要说你拥有一台好电视，现在有的高档电视内部带有隔行转逐行扫描的电路，甚至有带高级倍线器功能的。不管进去的信号是隔行还是逐行，都给你转成逐行扫描来显示，受隔行转逐行扫描的电路的性能影响，出来的画面质量就有高有低了，如SONY DRC技术就很不错。

3．为什么我的PS2用S-video或复合video连到一部国产的老电视，画面会没彩色或跳动。
如果你家的电视不是采用国际线路或PAL,NTSC双线路，而你的PS2的S-video或复合video输出的信号电视制式与你的电视机的电视制式不同，就会产生这种情况。最简单的方法是加一个电视制式转换器(PAL<>NTSC)简称制转。

4．色差信号与RGB信号有没有PAL，NTSC之分。
理论上没有，但受信号源的不同，(如日本二区的NTSC制的DVD影碟或PS2 游戏碟或欧洲二区 PAL制的DVD影碟或PS2 游戏碟。)色差信号与RGB信号输出的解像度与同步信号的频率可能会不同。不信，你家的电脑显示器有PAL，NTSC之分吗，显示卡有PAL，NTSC之分吗，带Tv输出功能的除外。

5．我的家电视太老，连AV端口都没有怎么办。
果然很老，买一RF(射频)调制器，将Av信号调制成RF信号后从电视的天线口输入，连天线口都没有的那就不是电视机了。不过这种情况下，你一般还要买一个制转，除非你的PS2的电视制式和你的老电视相同。

模拟视频信号的传输目前仍然使用Coaxial电缆，中间的信号线，外部包屏蔽层作为地。但是往往各类信号的接头不一样，往往使得广大人民群众产生混淆，给奸商有机可乘。
下面对常用的模拟视频信号的传输方式做一个简单的介绍：

RF — 射频信号，就是大家每天都看的电视信号，这种信号将视频和音频信号都调制在一起，采用75Ohm的同轴电缆传输。

CV — Composive Video 复合视频，这种信号采用一根同轴电缆传输，就是大家日常所见的视频输出，民用领域一般采用RCA插头，专业领域为了保证连接质量，往往采用BNC接头。信号质量优于RF射频。

YC — YC视频，这是俗称的S-VIDEO，它采用两根独立的同轴电缆分别传输亮度信号（Y）和色度信号（C），避免了亮度和色度信号的互相串扰。民用领域往往采用Mini 4 pin的接头（俗称S 端子），专业领域采用两个BNC接头来连接。信号质量优于复合视频。

YUV — 分量视频，色差视频，Component Video，俗称DVD端子。这种视频信号在YC视频的基础上改进，将色度信号分成了两股，采用3根独立的同轴电缆传输，质量优于YC视频。民用领域采用三个RCA端子连接，专业领域仍然采用BNC端子。

RGsB — 绿同步RGB信号，SOG（Sync On Green）。这种信号已经大大优于上述的各种信号，它将信号中的RGB红绿蓝信号分开传输，同时将同步信号调制在绿信号中传输，质量大大提高，可以接受高分辨率的信号传输，早期的工作站采用这种方式。采用三个BNC头连接，或者采用DB9针（类似串口）的接头。不过画面略有偏绿。

RGBS — 复合同步RGB信号，CS信号（Composive Sync），这种信号将RGB三基色信号分别传输，同时将行同步与场同步信号复合传输，采用4线BNC接头，在工作站信号中很常见，高级的电脑显示器（带RGB端子的）可以接受。也可以采用常见的HD15接头（俗称VGA头），在Sun和SGI电脑往往采用13W3的接头。信号质量优。

RGBHV — 分离同步RGB信号，这种传输方式已经到达模拟视频信号传输的顶峰，它将R、G、B，行同步和场同步信号全部独立传输，民用领域得到大量应用，每个看见者篇文章的同志的电脑画面就是采用这种方式传输的，一般采用HD-15接头（俗称VGA头），专业领域仍然采用5线BNC接头。可以接受极高分辨率的信号传输。

对于模拟信号，采用的电缆越多，信号质量越好。就象公路一样，人车混走的路，速度自然无法提高。大家可以参考一下。

目前还可以见到两种数字视频信号的传输——DFP（Digital Flat Panel)与DVI(Digital Video Interface)，两种信号的数字格式是一样的，在接头方面不同，不在本文讨论之列。

此外还有网络、USB，IEEE.1394等介质都可以传输视频信号。大家可以密切留意。

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